鋼-鋁-碳纖維加強(qiáng)塑料的車身混合結(jié)構(gòu)

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1 Audi A8轎車的全鋁車身輕型結(jié)構(gòu)

1994年，首款A(yù)udi A8轎車的問(wèn)世引起轟動(dòng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)12年的開發(fā)，全球首款全鋁承載式車身已投入量產(chǎn)。在該空間框架結(jié)構(gòu)中，擠壓型材與復(fù)雜的壓鑄件共同形成一個(gè)骨架，而鋁板又加固了結(jié)構(gòu)剛度。Audi輕型結(jié)構(gòu)中心(ALZ)主任Bernd Mlekusch博士宣稱：“Audi空間構(gòu)架的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于大自然，因此僅使用了為滿足功能要求所必需的材料?！?/p>

Audi A8轎車全鋁白車身的質(zhì)量?jī)H為249 kg，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)型式相比減輕約40%以上，但是其制造工作量也極大。在Neckarsulm工廠中的裝配大約有75%是手工進(jìn)行的。然而長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為花費(fèi)于Audi轎車上的資金是物有所值的，因?yàn)槠髽I(yè)把Audi A8轎車定位為高級(jí)轎車，在某種程度上可以說(shuō)對(duì)材料的應(yīng)用是行業(yè)標(biāo)桿。至今每一代Audi A8轎車都建立在空間構(gòu)架方案基礎(chǔ)上，當(dāng)然2002年的第二代Audi A8轎車以220 kg達(dá)到了該系列轎車質(zhì)量的最小值。

2 使用多種材料的車身設(shè)計(jì)方案

2010年的第三代Audi A8轎車的突出特點(diǎn)是擺脫了全鋁結(jié)構(gòu)型式，此時(shí)231 kg的車身用材中的35%是鋁壓鑄件和鋁板，22%是鋁擠壓型材，而僅有8%是鋼板，例如，強(qiáng)度最高的B柱就由模壓鋼板制成。因此，目前全球汽車制造商不僅在高檔車型領(lǐng)域，而且在整個(gè)車型領(lǐng)域內(nèi)都非常關(guān)注Audi公司采取的此類開發(fā)理念?，F(xiàn)代輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要恰如其分和靈活自如地選用各種不同的材料，其原則是“正確的材料以正確的數(shù)量用于正確的部件”，在試驗(yàn)臺(tái)上針對(duì)使用目的來(lái)選擇每種材料，并在所有的細(xì)節(jié)上權(quán)衡其潛力和優(yōu)點(diǎn)。另外，尤其對(duì)于鋼板生產(chǎn)商而言，鋼板與其他材料的競(jìng)爭(zhēng)是呈螺旋式發(fā)展的。從上世紀(jì)90年代以來(lái)，新型高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)度已提高了5倍。

通常而言，諸如頂篷、前端、尾端、門和翻轉(zhuǎn)罩蓋及車身結(jié)構(gòu)方面的輕型結(jié)構(gòu)措施都是以目標(biāo)為導(dǎo)向的，因?yàn)槌烁纳苾糁刂?，還能優(yōu)化汽車的行駛動(dòng)力學(xué)品質(zhì)。在考慮當(dāng)前究竟什么材料和什么結(jié)構(gòu)才能最大地滿足各自要求時(shí)，不同的制造商可能會(huì)得出差異很大的結(jié)果，而且成本往往起著決定性的作用，因?yàn)橹圃焐掏ǔ?huì)更多地關(guān)注成本的高低。2013年蒂森克虜伯公司教授Hans Ferkel博士曾表示：“按照體積份額而言，鋼材仍然是車身焊裝車間中最重要的材料，因其剛性、承載能力、超載情況下的變形、可再應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性，它仍是智慧混合結(jié)構(gòu)中的主要組成部分”，F(xiàn)erkel博士認(rèn)為：“熱成形鋼材較高的強(qiáng)度有助于實(shí)現(xiàn)高效的輕型結(jié)構(gòu)而不會(huì)有損于整車的安全性”。蒂森克虜伯公司的秘訣在于針對(duì)目標(biāo)的溫度分層導(dǎo)向：鋼板被加熱到900 ℃，熾熱成形并迅速冷卻，以該方式加工出來(lái)的構(gòu)件的強(qiáng)度可達(dá)1 650 MPa，并且應(yīng)用可變厚度和鋼板內(nèi)部的溫度分層導(dǎo)向就能設(shè)計(jì)出與質(zhì)量/負(fù)荷相匹配的輕型構(gòu)件。

Audi公司在下一代A8轎車上采用鋁-鋼-鎂-碳纖維加強(qiáng)塑料(CFK)的組合，擴(kuò)展了汽車的組合材料品種(圖1)，其中空間構(gòu)架中的鋁構(gòu)件以58%的比例始終占有車身材料中的最大份額。此外，熱成形鋼構(gòu)件對(duì)于客艙安全性而言最為關(guān)鍵。它包括前圍板下部空間、側(cè)梁、B柱和車頂弧梁前部空間。鎂和CFK在組合材料中占有相當(dāng)少的份額。在新型A8轎車上僅拱形拉桿用鎂材制成，比原車型用的鋁構(gòu)件減重28%，而僅客艙后壁一個(gè)構(gòu)件是用CFK制成的，不過(guò)它是白車身中的最大構(gòu)件，可使整車抗扭剛度提高達(dá)33%。Audi A8轎車白車身的質(zhì)量已進(jìn)一步增大，現(xiàn)在已達(dá)到282 kg，但是其抗扭剛度也比原車型提高了24%，被動(dòng)安全性得以提升。

圖1 采用CFK材質(zhì)的Audi新一代A8轎車的空間構(gòu)架

3 BMW轎車的碳纖維加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

鋁材在Audi A8轎車上始終占優(yōu)勢(shì)，而BMW公司在當(dāng)前的7系列轎車上則主要采用CFK。與Audi的空間構(gòu)架相似，BMW公司的“碳芯”形成了車身中一種從外部看不見的結(jié)構(gòu)(圖2)，它與最牢固的鋼和鋁相結(jié)合，以此可在減輕汽車質(zhì)量的同時(shí)提高強(qiáng)度和剛度(圖3)。最近，BMW汽車集團(tuán)輕型結(jié)構(gòu)和質(zhì)量管理總負(fù)責(zé)人Florian Schek對(duì)此解釋道：“CFK本身并非終極目標(biāo)。CFK是我們擴(kuò)展輕型結(jié)構(gòu)的手段，在其能起作用的部位以及在能最充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)的部位才使用這種材料。BMW-i車型已展示了采用CFK、鋁和塑料的組合材料結(jié)構(gòu)，而7系列轎車已在此基礎(chǔ)上完全滿足了關(guān)于車型和制造邊界條件等其他方面的要求”。這可體現(xiàn)在高強(qiáng)度熱成型和加壓淬火鋼與CFK的組合應(yīng)用，以及對(duì)于安全性具有重要意義的車身部位的結(jié)構(gòu)元件，例如B柱。

圖2 BMW 7系列轎車的碳芯生產(chǎn)

圖3 通過(guò)輕質(zhì)材料減輕了汽車質(zhì)量

BMW公司在制造中應(yīng)用了全新的工藝過(guò)程，CFK車頂框架首次由無(wú)芯制造的封閉式結(jié)構(gòu)元件制成，因此除了材料具有極好的剛度之外，BMW公司還充分發(fā)揮了其輕質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，提高了客艙的扭轉(zhuǎn)剛度，降低了汽車重心，同時(shí)也獲得了車輛安全性和行駛動(dòng)力性能的提升。西格里集團(tuán)提供了其中所使用的以碳纖維為基礎(chǔ)的編織物，它們是西格里集團(tuán)采用全自動(dòng)工藝生產(chǎn)的，作為制造構(gòu)件的預(yù)制件直接提供給BMW公司。碳纖維及碳纖維束和碳纖維網(wǎng)也可應(yīng)用于BMW公司7系列轎車車身的各種不同部件，例如B柱、C柱、后壁、側(cè)梁、中間底槽和車頂弓梁。

4 廣泛應(yīng)用的碳纖維

如BMW-7系列的豪華汽車在銷售價(jià)格上的差價(jià)，無(wú)疑使其在技術(shù)上的自由度要比對(duì)價(jià)格極其敏感的產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)，但是大量生產(chǎn)仍需要充分發(fā)揮CFK的優(yōu)勢(shì)。例如，F(xiàn)ord公司與配套供應(yīng)商Magna公司在一個(gè)合作研究和開發(fā)項(xiàng)目中，對(duì)CFK復(fù)合材料用于結(jié)構(gòu)件的可能性及其技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并通過(guò)合作開發(fā)出了CFK副車架(圖4)。Ford公司事業(yè)部經(jīng)理Mike Whitens曾說(shuō)過(guò)：“合作對(duì)于我們是必不可少的，基于合作能成功制造出輕型構(gòu)件，并且可降低燃油耗而不會(huì)損害行駛舒適性、耐久性或安全性。未來(lái)我們必須致力于以低成本的方式獲取這些輕型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，F(xiàn)ord公司與Magna公司共同開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料副車架就是在先進(jìn)材料方面合作的典型實(shí)例。” 副車架是汽車結(jié)構(gòu)部件中的一大重要組成部分，用于固定發(fā)動(dòng)機(jī)和前車輪懸架，對(duì)整車的剛度和抗碰撞性能具有重要影響。它替代了傳統(tǒng)支架中必須用螺栓和焊接工藝實(shí)現(xiàn)連接的45個(gè)鋼構(gòu)件，其新型樣件僅由2個(gè)CFK成型構(gòu)件組成，分別鑲嵌有4個(gè)金屬加強(qiáng)件，這意味著零件數(shù)量減少了82%。Magna公司的復(fù)合材料構(gòu)件比鋼構(gòu)件減重達(dá)34%，具體減輕質(zhì)量可達(dá)9.3 kg，其中應(yīng)用了層狀模壓復(fù)合材料(SMC)，由粉碎的碳纖維和樹脂組成。所使用的50 k碳纖維符合工業(yè)要求，與航空纖維相比，具備成本方面的優(yōu)勢(shì)。

圖4 Ford公司與Magra公司合作開發(fā)出了CFK副車架

在制造過(guò)程中，由SMC制成的兩個(gè)半片CFK構(gòu)件在壓制模具中成形，經(jīng)過(guò)幾分鐘固化后就能從模具中取出，緊接著通過(guò)粘合方式進(jìn)行連結(jié)。為了在72 h的時(shí)效硬化期間避免采用昂貴的對(duì)中調(diào)整，Magna公司采用鉚接方式固定兩個(gè)半片的CFK構(gòu)件。由于與鋼材相比CFK構(gòu)件制造更簡(jiǎn)單，因此Magna公司在模具投資方面可節(jié)省的30%～40%。目前，F(xiàn)ord公司將在零件和整車層面進(jìn)行副車架的小批量試驗(yàn)。而對(duì)于Magna公司而言，其模具和制造工藝已較為成熟，可以直接投入批量生產(chǎn)。Magna公司還確信，用于制造副車架的CFK結(jié)構(gòu)件在不久以后即可投入批量生產(chǎn)。

5 發(fā)展趨勢(shì)

在過(guò)去的10年中，日趨嚴(yán)格的碰撞標(biāo)準(zhǔn)已成為推動(dòng)汽車質(zhì)量變化的重要因素，汽車是否會(huì)進(jìn)一步增重或者是否已達(dá)到了應(yīng)用極限。德國(guó)Siegen大學(xué)從事汽車輕型結(jié)構(gòu)研究的Xiangfan Fang教授指出：“歐州新車評(píng)估程序的要求使得歐盟碰撞標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，歐盟和北美的要求逐漸趨于一致，這就導(dǎo)致了法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，目前已達(dá)到了一個(gè)非常高的標(biāo)準(zhǔn)要求。雖然這種協(xié)調(diào)導(dǎo)致了質(zhì)量進(jìn)一步增加，但是車身質(zhì)量的增加還應(yīng)適度，而不能如以往那樣越來(lái)越重。用于提高汽車安全性的乘客保護(hù)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)也導(dǎo)致了質(zhì)量的增加。”

采用輕型結(jié)構(gòu)車型以提升整車機(jī)動(dòng)性是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，汽車該如何減重，又如何實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。Fang教授認(rèn)為：“目前研究表明，輕型結(jié)構(gòu)車型可達(dá)到的最輕質(zhì)量約為700～800 kg。但是據(jù)預(yù)測(cè)，在考慮到合理地選擇材料，并且具備合適的制造工藝和汽車方案的情況下，實(shí)現(xiàn)500～600 kg的目標(biāo)質(zhì)量是有可能的，其前提條件是在確定汽車在行駛動(dòng)力性能、安全性及其內(nèi)部設(shè)施等方面要求時(shí)，要考慮到該車型的特殊性，而這些要求必須與當(dāng)今“標(biāo)準(zhǔn)”車型有明顯的區(qū)別?！卑凑战?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，汽車每百公里如減輕100 kg的質(zhì)量就能節(jié)省0.3 L燃油，可有效降低CO2排放。但是，整車的輕量化研究也需進(jìn)行投資，而且在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中仍要采取其他措施以降低CO2排放。輕型結(jié)構(gòu)是當(dāng)前的研發(fā)熱點(diǎn)，而且是可以實(shí)現(xiàn)的，特別是目前具有較大潛力的復(fù)合材料方案。也許Audi空間構(gòu)架和BMW碳芯無(wú)法直接推廣到普通車型上，然而其表明了技術(shù)上的可能性，并且對(duì)制造商、配件供應(yīng)商、材料工業(yè)及中間用戶起到了重要的推動(dòng)及維系作用，此外也推動(dòng)了材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，從中獲取豐厚利潤(rùn)。